Керамические конструкционные материалы

1.

Направление подготовки бакалавров
«Химическая технология»
Материаловедение и
технология конструкционных
материалов
Лихачев Владислав Александрович, к.х.н., доцент

2.

Керамические материалы
Керамические материалы один из самых древних
конструкционных материалов, использовавшихся в производстве:
1. Посуды, украшений:
2. В строительстве
Посуда и украшения:
• Гончарная керамика,
• стекло, фарфор, фаянс,
• майолика, терракота

3.

Керамические материалы
• Керамические материалы достаточно сложны
как по химическому составу, так и по структуре.
• По химическому составу – это оксиды, карбиды,
нитриды, бориды, сульфиды или их смесь.
• По структуре в их составе всегда есть:
1. кристаллическая составляющая;
2. аморфная (стекло-фаза);
3. газовая составляющая (поры в керамике,
определяющие ее теплоизоляционные свойства)

4.

Керамические материалы.
Керамика в современном мире
В настоящее время керамика относится к основным
композиционным материалам, оказывающим
определяющее влияние на уровень и
конкурентоспособность промышленной продукции
Она дополнительно революционно вошла в технику
и технологию многих областей техники в 60 годах
прошлого века и стала третьим промышленным
материалом после металла и полимеров.
При постоянном развитии традиционных областей ее
применения.

5.

Свойства и применение керамических материалов.
Слайд 12.03
Керамические материалы имеют два основных
недостатка:
хрупкость
и
сложность
изготовления деталей и их обработки.
В то же время им присущи свойства, которые зачастую
отсутствуют у металлов:
• Жаропрочность;
• Отличная коррозионная стойкость;
• Малая теплопроводность;
• Хорошие оптические свойства.
Жаропрочность керамики такова, что при температурах
порядка 1000 ° С она прочнее любых сплавов и даже
суперсплавов.

6.

Технология изготовления изделий из
композиционных материалов
Керамическая технология предусматривает следующие
основные этапы:
1. Получение исходных порошков;
2 Консолидацию порошков (изготовление компактных
материалов);
3 Обработка полученных изделий;
4 Контроль изделий.
• При производстве высококачественной керамики с
высокой однородностью используют порошки исходных
материалов с размером частиц до 1 мм. (Наиболее
трудоемкий процесс)

7.

Технология консолидации
Консолидация состоит из процессов:
1. Формования
2. Спекания
Формование
1. Прессование под действием давления;
2. Пластическое формование ( выдавливание через мундштук
формовочных масс с пластификаторами;
3. Литье с использованием жидких суспензий порошков.

8.

Спекание
• При спекании происходит уменьшение пористости
и усадка, в результате получается монолит.
• Спекание производиться при атмосферном и
повышенном давлении до 1500кН. Температура
спекания 2000 – 2200 о С
• Часто применяют совмещенные методы
консолидации: формование со спеканием, синтез
образующегося соединения с одновременным
формованием и спеканием.

9.

Обработка и контроль керамики
Обработка керамики сложный процесс, т.к. она с
трудом поддается механической обработке.
Поэтому задача получить при консолидации
практически готовое изделие.
Доводка производится алмазными кругами,
электрофизической, ультразвуковой и лазерной
обработкой.
При контроле изделий используют рентгеновскую
и ультразвуковую дефектоскопию

10.

Классификация керамических материалов.
Слайд 12.02
Керамика стала первым конкурентоспособным
по
сравнению
с
металлами
классом
материалов для использования при высоких
температурах.
Известны следующие виды керамических материалов:
• Электрокерамика;
• Магнитокерамика;
• Оптокерамика;
• Хемокерамика;
• Биокерамика;
• Термокерамика;
• Механокерамика;
• Ядерная керамика;
• Сверхпроводящая керамика.

11.

Свойства и применение керамических
материалов

12.

Виды керамических материалов

13.

Виды керамических материалов

14.

Виды керамических материалов

15.

Свойства и применение керамических материалов.
Слайд 12.04
В настоящее время в
следующих областях:
основном керамика применяется в
• Изготовление режущего инструмента;
• Детали двигателей (керамические двигатели);
• Специальное назначение:
- Хранение радиоактивных отходов;
- Тепловая защита головных частей ракет;
-Изготовление броневой защиты военной
техники и бронежилетов.
-В связи и компьютерной технике.
-В строительстве: кирпич, плитки, черепица

16.

Керамические материалы в
строительстве
- по температуре плавления: легкоплавкие (с температурой
плавления ниже 1350 С, тугоплавкие (1350-1580 С), огнеупорные
(1580-2000 С), высшей огнеупорности (более 2000 С).
Преимущества керамики
1. Высокая твердость и износостойкость, прочность на сжатие;
2. Термостойкость и жаропрочность;
3. Низкая теплопроводность;
4. Высокая коррозионная стойкость;
5. Экологичность;
6. Красивый внешний вид.
7. Доступность сырья.

17.

Сырье для производства
строительной керамики
• Основное сырье: природные каолины и глины.
• Каолин - минерал белого цвета, основа каолинит (Al2O3.2SiO2
.2H O): с чаcтицами 0,01 мм. Малопластичны.
2
• Глины характеризуются разнообразным составом: в них есть
каолинит, монтмориллонит Al2O3.4SiO2 .nH2O (0,005мм)
галлуазит Al2O3.2SiO2 .4H2O. Глины с 85-90% частиц меньше
0,001мм называются бентонитами, они очень пластичны.
• Пластичность глин основное их свойство, чем больше в них
мелких частиц, тем они пластичнее. Для производства лучше
подходят умеренно пластичные глины. Малопластичные
(тощие) глины плохо формуются, высокопластичные дают
большую усадку при сушке, растрескиваются и требуют
отощения.

18.

Технология изготовления
строительной керамики
Технология изготовления включает в себя следующие операции:
• Добыча глины (карьеры);
• Подготовка сырьевой массы (удаление, смешение, увлажнение)
• Формование изделий (пластическое формование, с помощью
прессов, литье в формы);
• Сушка туннельные или камерные сушилки 16-36 часов при t =
120 - 150 С для избежания неравномерной усадки при обжиге.
• Обжиг в туннельных печах при температуре 900-1100 С для
кирпича, камня, керамзита и до 1300-1800 С для огнеупорной
керамики.

19.

Обжиг керамических материалов
-
При обжиге идут следующие процессы:
Испарение свободной влаги (до 200 С);
Выгорание органических примесей (300-400 С);
Удаление химически связанной влаги (500-600 С);
Разложение минералов глины на отдельные оксиды (700-800 С);
Образование новых соединений между оксидами, например
муллита 3Al2O3.2SiO2 и расплавление легкоплавких составляющих
глины (950-1050 С).
- Пережог (железняк) ведет к потемнению кирпича, деформации
его и к оплавлению;
- Недожог – пониженная прочность, водо- и морозостойкость,
кирпич имеет алый цвет.

20.

Виды строительной керамики
По конструктивному назначению различают следующие группы:
Стеновые (кирпич обычный и пустотелый, стеклянные блоки),
Фасадные (кирпич и камни лицевые, керамические плитки)
Изделия для внутренней облицовки стен и полов
(глазурованные плитки и фасонные детали к ним: пояски,
карнизы, уголки);
Дорожные изделия (кирпич, тротуарная плитка)
Изделия для перекрытий (балки, панели, специальные камни);
Кровельные изделия (черепица);
Санитарно-технические изделия и трубы (умывальники,
унитазы, ванны, керамические трубы);
Теплоизоляционные материалы(керамзит);
Огнеупорные и химически стойкие (кирпич и плитки) футеровка.

21.

Стеновые керамические
материалы
• Керамический кирпич 250х120х65 и 250х120х88 может
быть полнотелым и пустотелым;
• Марки по прочности М75, М100,
• М125, М150, М175, М200, М250, М300.
• Марки по морозостойкости F25, F35, F50, F75, F100, F300
• Водопоглощение 6-16%;
• Пустотелый кирпич дает экономию сырья, но его не
применяют для фундаментов,
цоколей, для наружного и
внутреннего ряда стен.

22.

Тротуарная (дорожная) керамика)
• Включает в себя различные кирпичи
и плитки:
Кирпич клинкерный 220х110х65,
Большее содержание Al2O3 и более высокая
плотность, прочность М400,М700, М1000,
морозостойкость F50-100,
водопоглощение – 2-6% (дороги, полы
предприятий, агрессивные кислотные среды)
Применяется также как отделочный и для
кладки печей.
• Тротуарная плитка самых разнообразных
конфигураций и цветов (долговечность,
декоративность, экологичность)

23.

Керамические плитки
• Керамические плитки для
полов и стен один из самых
распространенных
керамических облицовочных
материалов.
• Выпускаются разнообразных
размеров и цветов.
• Поверхность глазурованная и
не глазурованная, гладкая и
рифленая.
• Красиво, экологично,
водостойко.

24.

Керамогранит
• Керамогранит (керамический гранит, керогранит) —
искусственный отделочный материал.
• Производится методом полусухого прессования из пресспорошка при давлении 400—500 кг/см2, с последующим
обжигом при температуре 1200—1300 °C.
• Пресс-порошок, в свою очередь, получают из шликера,
который представляет собой тщательно гомогенизированную
смесь сырьевых компонентов: беложгущиеся глины и каолины,
кварцевый песок, плавни (полевые шпаты и пегматиты), вода.
• Преимущества: высокая твердость, устойчивость к истиранию,
влаге и перепаду температур, красивый внешний вид,
экологичность, но дороже и тяжелее керамической плитки.

25.

Керамические материалы в
строительстве
Черепица
Старейший искусственный кровельный материал. Долговечность
До 300 лет. Высокая декоративность,
но большой вес и трудоемкость устройства, требует большого уклона
Кровли (не менее 30%).

26.

Санитарно-техническая керамика
• Санитарно-техническая керамика – раковины, сливные
бачки, унитазы, биде и другие изделия производятся из
фарфора, полуфарфора, фаянса.
Более 30 видов
различных изделий

27.

Трубы керамические
Трубы керамические канализационные применяются для устройства
безнапорных сетей канализации, транспортирующих промышленные
(агрессивные и неагрессивные), бытовые и дождевые воды. Длина труб
1000-1500 мм, внутренний диаметр 150-600 мм. Их изготовляют
цилиндрической формы с раструбом на одном и резьбой на другом
конце и безраструбные с соединительными муфтами.
Трубы керамические дренажные для
устройства дренажа. Вода в трубы
поступает через круглые и
щелевидные отверстия

28.

Керамзит
• Керамзит — лёгкий пористый строительный материал,
получаемый путём обжига глины или глинистого сланца.
Керамзитовый гравий имеет овальную форму. Керамзитовый
щебень отличается лишь тем, что его зёрна имеют в основном
кубическую форму с острыми гранями и углами. Производится
также в виде песка — керамзитовый песок.
• экономичный утеплитель, применяемый для стен, полов,
перекрытий, подвалов;
• наполнитель для легких бетонов;
• дренажный и теплоизоляционный
материал для земляных насыпей дорог,
прокладка которых производится в водонасыщенных грунтах.

29.

Вермикулит
• Изоляционный материал близкий к керамике. Получается из
природных гидрослюд путем нагрева при температуре 9001000 С, при этой температуре он вспенивается и приобретает
высокую пористость.
• Выпускается в виде сыпучего материала разной крупности и
насыпной плотности. Крупность зерен (5-10мм; 0,5-5мм; мене
0,5 мм). Насыпная плотность марок 200, 150, 100, где число
обозначает насыпную плотность вермикулита в кг\м3.
• Преимущества: не горюч, широкий диапазон рабочих
температур (-200 - +900-1000 оС), биологически стоек, не
подвержен старению, экологичен.
• Недостатки: дорог, очень сильно поглощает влагу